La fisica delle particelle elementari, dall

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La fisica delle particelle elementari,
dallasimmetria materia-antimateria allorigine
delle masse

• A. Andreazza, Università di Milano and INFN
• in rappresentanza dei gruppi di Milano degli
  esperimenti
• FOCUS
• BaBar
• ATLAS

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Indice

• La fisica dei quark pesanti
• violazione di CP e matrice di Cabibbo-Kobayashi-M
  askawa
• la fisica del c a FOCUS
• la fisica del b a BaBar
• La ricerca del bosone di Higgs
• leredità di LEP
• lesperimento ATLAS a LHC
• ricerca dellHiggs in ATLAS.

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Materia e anti-materia

• È ovvio che lanti-materia è diversa dalla
  materia.
• Eppure è cosí uguale
• particelle ed antiparticelle hanno stessa massa
• hanno cariche (carica elettrica, isospin,
  numero barionico) esattamente opposte
• nei processi di produzione ed annichilazione
  vengono coinvolte lo stesso numero di particelle
  ed antiparticelle.
• Capire qual è lorigine dellasimmetria tra
  materia ed antimateria nel nostro universo è una
  delle domande fondamentali a cui cerca di
  rispondere la fisica delle particelle.

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Violazione di CP

• La prima differenza tra materia e antimateria fu
  osservata da Fitch e Cronin nel 1964
• in interazioni protone-nucleo si producono e
  .
• Questi non sono autostati di massa, ma misture di
  due autostati e con vite medie molto
  diverse.
• Facendo decadere tutti i si trova un fascio
  puro di .
• Si osserva che nel la componente di è
  maggiore di quella di .

Fino a pochi anni fa questa era lunica
asimmetria osservata.
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Matrice CKM

• (quasi)Tutte le transizione dei leptoni avvengono
  solo allinterno di una stessa famiglia
• mentre nelle interazioni deboli dei quark,
  transizioni tra tutte le famiglie sono possibili.
• Queste transizioni sono pesate dagli elementi di
  una matrice.
• Nel Modello Standard
• la matrice CKM è unitaria
• la violazione di CP si può descrivere attraverso
  la presenza di valori complessi nella matrice.
• Gli elementi di matrice si possono studiare
  tramite i decadimenti deboli degli adroni.

u c t
d s b

ne nm nt
e- m- t-
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Lesperimento FOCUS (Fermilab, Chicago)

• Produzione di charm mediante fotoni da 200 GeV
  incidenti su bersaglio di Be.
• Collaborazione costituita da 110 fisici
• USA
• Italia 40 (Milano, Frascati, Pavia)
• Brasile
• Messico
• Corea
• Dati raccolti nel 1996-7.
• Oltre 106 particelle charmate ricostruite.

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Rivelatori di vertice

• Particelle con quark c o b hanno vite medie ?
  0.5 1.5 ps,
• se non sono prodotte in quiete
• la vita media si estende del fattore di
  dilatazione relativistico ?E/m
• la lunghezza media percorsa prima di decadere
  L??c?
• langolo di decadimento ?1/?
• da cui il parametro di impattodLsin? c? 150
  450 mmindipendentemente dallenergia.

d
B/D
?
L

• Per studiare adroni con quark b e c servono
  rivelatori con risoluzioni spaziali 100 mm.
• Rivelatori a silicio
• a microstrip (FOCUS, BABAR)
• a pixel (ATLAS)necessari quanto la densità di
  tracce è elevata.

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Vite medie del quark c

• FOCUS ha misurato la vita media di mesoni e
  barioni charmati.
• Insieme al branching ratio per decadimenti
  semileptonici, entrano nella determinazione di
  Vcs.
• Mentre le larghezze semileptoniche sono molto
  simili, differenze nella larghezza totale tra le
  varie particelle dipendono dalle interazioni
  forti informazioni sulla dinamica degli adroni.

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Analisi dei plot di Dalitz
Ds???-?

• Lesperimento cerca di applicare al settore del c
  metodi di analisi classici nella spettroscopia di
  quark leggeri, utilizzabili quando una
  descrizione perturbativa del sistema non è
  adeguata.
• Esempio Dalitz plots
• variabili in cui il fattore di spazio delle fasi
  è uniforme
• la presenza di strutture è frutto della dinamica
  del sistema.
• Metodi di interesse nel futuro per lanalisi di
  decadimenti esclusivi del b.

decay channel
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Lesperimento BaBar (SLAC, San Francisco)
?(ee-?adroni)/?(ee-?µµ-)
?s GeV

• Collisionatore ee- a fasci asimmetrici sulla
  risonanza ?(4s)
• Collaborazione di 600 fisici di 10 nazioni,
• Inizio della presa dati nel 1999, durata prevista
  fino al 2008.
• Prodotte più di 250106 coppie

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Oscillazioni

• Essendo possibili delle transizioni da a ,
  un mesone oscilla tra un sapore e laltro secondo
  lHamiltoniana di mixing.
• Nel decadimento della ?(4s), i due mesoni sono in
  uno stato coerente ed oscillano insieme.
• Non appena uno dei due decade in uno stato
  identificabile come o , laltro mesone
  inizia ad oscillare indipendentemente
• Con fasci asimmetrici, si produce una ?(4s) in
  moto e si tramuta la separazione di tempo tra i
  due decadimenti in una separazione spaziale.

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B0 ? J/? KS

• Se si sceglie un canale di decadimento dei B0 che
  sia un autostato di CP (e quindi accessibile sia
  da particella che da antiparticella), si può
  definire unasimmetria di CP
• Nel caso di J/? KS, si ha che
• BaBar è stato il primo esperimento ad osservare
  violazione di CP nel sistema del B, già nel
  2001!? e si è passati rapidamente da fisica di
  scoperta a fisica di precisione!

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B0 ? ? KS

• La grande mole di dati permette di accedere allo
  studio di decadimenti molto rari.
• Il decadimento B0 ? ? KS, con BR di 6010-6 è
  atteso essere dominato da processi di ordine
  superiorerispetto al processo al primo
  ordine,che risulta essere soppresso O(10-2).
• Il risultato sperimentale ?(?)
  0.300.14differisce di 3? dal valore
  atteso ?(?) sin 2? 0.722
• Evidenza di contributi non previsti dal modello
  standard?

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Il bosone di Higgs

• La matrice CKM ha la sua origine dal fatto che
  gli autostati di massa dei quark sono diversi da
  quelli che partecipano nelle interazioni deboli.
• Le interazioni deboli non sono veramente deboli,
  ci appaiono come tali a bassa energia solo perché
  i loro mediatori sono particelle massive.
• Nel Modello Standard le masse sono generate dalle
  interazioni delle particelle con un nuovo
  campo il bosone di Higgs

Lunico componente del Modello Standard non
ancora osservato!
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Leredità di LEP

• Large Electron Positron collider
• energia nel centro di massa da 90 a 210 GeV
• luminosità 1032 cm-2s-1
• presa dati dal 1989 al 2000
• Misure di precisione del Modello Standard
• mZ 91.1875 0.0031 GeV/c2
• mW 80.392 0.039 GeV/c2
• N? 2.9840 0.0082
• mt 17313-10 GeV/c2 da misure indirette (da
  confrontarsi con la misura diretta 172.7 2.9 al
  Tevatron)

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Leredità di LEP limite diretto

• Ricerca del bosone di Higgs nella reazione
• Il limite cinematico accessibile è dato da
• Il numero di eventi candidati osservati è
  confrontabile con il fondo atteso

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Leredità di LEP limite indiretto

• Le osservabili elettrodeboli sono sensibili alla
  massa del bosone di Higgs.
• Come per la massa del top, anche per lHiggs si
  può determinare un limite indiretto.
• Favorito un bosone di Higgs leggero

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LHC

• Large Hadron Collider
• collisionatore pp
• 14 TeV nel centro di massa
• luminosità 1034 cm-2s-1
• inizio della presa dati fine 2007
• stesso sito del LEP
• Quattro esperimenti principali
• ATLAS
• CMS
• LHC-b (fisica del b)
• ALICE (collisioni con ioni pesanti)

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A Toroidal LHC ApparatuS

• ATLAS è uno dei due esperimenti universali a
  LHC.
• 45 m di lunghezza
• 22 m di diametro
• Collaborazione di circa 2000 persone, di 150
  istituti da 34 paesi.
• Gruppi di Milano
• rivelatore a Pixel
• calorimetro a LAr
• toroide superconduttore

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Produzione di Higgs a LHC
1 anno di LHC
Il meccanismo di produzione principale è la
fusione di gluoni, 104 106 bosoni di Higgs
prodotti per anno di presa dati.
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Decadimenti dellHiggs

• Il bosone di Higgs ama le particelle massive.
• Se possibile decade in coppie di bosoni
  vettoriHiggs pesante
• altrimenti decade nella coppia di fermioni più
  pesante accessibileHiggs leggero
• Nella regione di transizione, attorno a mH130
  GeV, è accessibile anche il decadimento raro in
  ??.

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LHiggs leggero a LHC

• Il caso di Higgs leggero, favorito dalle
  osservazioni di LEP, è anche il più difficile da
  osservare
• decadimento dominante H?bb
• sezione durto del fondo ?(bb)O(10-1 mb)107
  ?(H)
• Per ridurre il fondo si deve ricorrere
• ad eventi molto rari
• a produzione associata
• Critiche le prestazioni del rivelatore!

H???
ttH
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Calorimetro a LiquidArgon
Poster!

• Obiettivo
• Misura dellenergia di e e ?.
• Identificazione di e
• Separazione ?0/?
• Trigger sullenergia elettromagnetica
• Copertura (barrel)
• zlt3.2 m
• 1.4 lt r lt 2 m
• spessore 22 33 X0
• Operazione a 90 K
• Granularità ????0.025 0.025
• Risoluzione energetica

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ATLAS Pixel Detector
Poster!

• Il rivelatore a pixel è il rivelatore di vertice
  dellesperimento ATLAS
• Consiste di tre cilindri (il più interno a R5.1
  cm dalla regione di interazione) e sei dischi,
  con copertura angolare ??2.5 o cos?lt0.98 .
• Pixels 50 µ (R?) 400 µm (z)
• 80 milioni di canali su unarea sensibile di
  1.7 m2.
• Opererà a -7ºC allinterno di un campo magnetico
  solenoidale di 2 T.
• Prestazioni determinate da test su fascio
• resistenza alle radiazioni fino a 50 MRad o 1015
  neq/cm2 (10 anni di vita a LHC)
• risoluzione 7 ? 10 µm
• efficienza 99.9 ? 98

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Higgs pesante (mHgt130 GeV)

• Non appena il decadimento in coppie di bosoni
  vettori diventa significativo, diventano
  accessibili dei canali praticamente privi di
  fondo.
• H?ZZ()?l l- l l-, le,?
• H?WW()?l ?l- ?, le,?
• Laspetto critico in questi canali è
  lidentificazione dei leptoni
• e nel calorimetro LAr
• µ nel toroide

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Ma LHC non è solo Higgs...

• Combinando i vari canali di ricerca, in un anno
  di presa dati alla luminosità di design, ATLAS e
  CMS dovrebbero essere in grado di coprire tutto
  il range possibile di masse del bosone di Higgs.

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• La fisica di LHC non si esaurisce con la ricerca
  del bosone di Higgs
• ricerca di nuove particelle, in particolare
  supersimmetria
• estensioni del modello di Higgs

Poster!
28
ATLAS esiste!

• Il montaggio del rivelatore procede a pieno ritmo
  al CERN.
• Installate le bobine del toroide (grosso
  contributo del LASA)
• Calorimetri già in caverna.
• Primi eventi con raggi cosmici.
• I pixel corrono per arrivare in tempo al primo
  fascio atteso per la fine del 2007.

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Conclusioni

• La fisica delle particelle è guidata dal
  desiderio di capire perché luniverso in cui
  viviamo è fatto cosí.
• In questa ricerca gli esperimenti agli
  acceleratori cercano di accedere a nuovi fenomeni
  esplorando la frontiera
• dellalta densità di energia
• dellalta luminosità.
• Il Dipartimento di Fisica e la Sezione INFN di
  Milano sono in prima linea in questa ricerca.
• Un grosso grazie a T. Lari, A. Lazzaro, S.
  Malvezzi, F. Palombo, D. Pedrini e F. Tartarelli,
  che mi hanno aiutato a preparare questo sommario.

30
The Higgs Cartoonhttp//atlas.ch/etours_physics/e
tours_physics10.html
31
Moduli dei pixel

• Minima unità autoconsistente.
• Sensore (Oxygenated FZ Silicon)
• area attiva 60.8 16.4 mm2
• spessore 250 ?m
• pixel 50 ?m (R?) 400 ?m (Z)
• pixel speciali (ganged e lunghi) per coprire le
  regioni morte tra i chip di Front-end.
• Elettronica di Front-end
• 16 FE-I3 chips in tecnologia IBM 0.25 ?m IBM,
  realizzata con caratteristiche rad-hard
• 46080 canali/modulo
• Connessione tramite bump-bonding
• SnPb (IZM, Berlino)
• Indio (Alenia, Roma)
• Flex hybrid
• Module Controller Chip per la comunicazione e
  raccolta dati
• filtri sulle alimentazioni, monitoraggio della
  temperature.

Module Controller Chip
Flex hybrid
Sensore
16 FE chips
Pigtail
HV
32
Funzionamento

• Strati di
• Assorbitore Pb
• Materiale sensibile LAr
• Geometria a fisarmonica
• assenza di regioni morte.

33
Lo stato del triangolo unitario
?K